أظهر علماء الأحياء لأول مرة كيف يتحول الحمض النووي إلى قطرات حية داخل الخلايا

وفق تقدم العلوم، باحثون من المركز الطبي الجنوبي الغربي تمكنت جامعة تكساس، بالتعاون مع زملاء من جامعة كاليفورنيا في سان دييغو وكامبريدج ومعهد جانيليا، لأول مرة من النظر بالتفصيل في كيفية تعبئة الحمض النووي في نواة الخلية. ويساعد هذا الاكتشاف على فهم كيفية ضغط المادة الوراثية في النواة دون فقدان القدرة على العمل، وهي واحدة من أصعب المشاكل في علم الأحياء.

ويتناسب حوالي مترين من الحمض النووي في نواة الخلية، وهو أقل من سمك شعرة الإنسان. لاستيعاب هذا التمرير الجزيئي الهائل، تلتف خيوط الحمض النووي حول البروتينات لتكوين الجسيمات النووية. تتحد هذه النيوكليوزومات معًا لتشكل ألياف كروماتين طويلة، والتي تطوى أكثر لتشكل هياكل أكثر كثافة، مما يخلق تعبئة معقدة ثلاثية الأبعاد داخل النواة. ولكن لفترة طويلة ظل لغزا كيف تصبح هذه الألياف أكثر كثافة مع بقائها وظيفية.

المكثفات هي غشاء الغدة الشعرية

اكتشف فريق بقيادة مايكل روزين أن النيوكليوسومات الاصطناعية يمكن أن تتجمع في المختبر في قطرات بدون غشاء، والتي يطلق عليها الباحثون اسم المكثفات. تتصرف هذه القطرات مثل الزيت في الماء، وتنفصل عن البيئة، وتكرر عملية ضغط الكروماتين الطبيعي في الخلايا.

ولدراسة فيزياءها وبنيتها، كان العلماء بحاجة إلى “النظر داخل” القطرات على المستوى الجزيئي. للقيام بذلك، استخدموا التصوير المقطعي بالإلكترون البارد (cryo-ET)، وهي تقنية تنتج صورًا ثلاثية الأبعاد للجزيئات البيولوجية في حالة قريبة من الحالة الأصلية. تم تجميد العينات أولاً بالتجميد السريع إلى -180 درجة مئوية، مما أدى إلى تثبيت كل جزيء في مكانه. ثم تم تقطيعها إلى شرائح يبلغ سمكها 100 نانومتر فقط باستخدام شعاع أيوني مركّز على التبريد، مما أدى إلى إنتاج صور مفصلة للغاية.

وتم أخذ العشرات من الإسقاطات لكل شريحة من زوايا مختلفة، وبعد ذلك قامت الخوارزميات الحسابية بدمجها في نماذج ثلاثية الأبعاد مفصلة. أتاحت لنا هذه البيانات معرفة كيفية تنظيم ألياف الكروماتين والجسيمات النووية داخل القطرات.

كيف يطوي الحمض النووي داخل النواة

من خلال الجمع بين تقنية cryo-ET مع النمذجة الحاسوبية والمجهر الضوئي، وجد الباحثون أن طول رابط الحمض النووي – المنطقة الواقعة بين النيوكليوزومات – يؤثر بشكل حاسم على كيفية طي الألياف وتكوين المكثفات. وهذا ما يفسر سبب فصل بعض أنواع طور الكروماتين بسهولة أكبر، بينما يكون البعض الآخر أكثر استقرارًا.

وقال روزن: “يوفر هذا العمل الرابط الأول بين بنية الجزيئات الفردية وسلوك المكثفات بأكملها”. “أنا متأكد من أننا خدشنا للتو سطح جبل الجليد.”

الآثار المترتبة على الصحة وبيولوجيا الخلية

وأكد المؤلف الرئيسي للدراسة، هوابين تشو، أن فهم سلوك المكثفات مهم للطب.

وقال: “من خلال دراسة هذه القطرات، نفهم بشكل أفضل كيف يمكن أن يؤدي تكثيف الحمض النووي غير الطبيعي إلى المرض”.

تمهد النتائج أيضًا الطريق لدراسة المكثفات الجزيئية الحيوية الأخرى المشاركة في تنظيم الجينات، واستجابات الإجهاد، والحفاظ على تنظيم الخلايا الداخلية. على سبيل المثال، قد يفسر تعطيل هذه العمليات سبب شيخوخة بعض الخلايا بشكل أسرع بينما تظل خلايا أخرى مستقرة.

قطرات صغيرة، أفكار كبيرة

تحاكي المكثفات الاصطناعية بشكل وثيق سلوك الكروماتين في الخلية الحية، مما يسمح للعلماء بدراسة الأمر تشبه النيوكليوزومات الفردية خرزات على خيط، تتجمع في قلادة معقدة. توفر هذه البيانات فرصة فريدة لفهم كيفية تفاعل الجزيئات في بيئة كثيفة وما هي السمات الهيكلية التي تحدد عمل النواة.

وفقًا للعلماء، فإن فهم تنظيم الحمض النووي على هذا المستوى لا يؤدي فقط إلى تعميق المعرفة الأساسية حول الخلية، بل يمكن أن يساهم أيضًا في إنشاء تقنيات طبية جديدة. على سبيل المثال، يساعد هذا الاكتشاف في تطوير علاجات للأمراض المرتبطة بالتعبئة غير الطبيعية للمواد الوراثية وتصميم علاجات أكثر فعالية.